功率半導體產(chǎn)業(yè)展新局 　碳化矽躋身電源元件主流

　　過去幾年來，碳化矽(SiC)型功率半導體解決方案的使用情形大幅成長，成為各界仰賴的革命性發(fā)展。SiC這項全新的寬帶隙技術(shù)，不僅是向前邁進的革命性發(fā)展(例如過去幾年來每一代新型的矽功率裝置)，也具有真正改變局勢的能力。

　　過去幾年來，碳化矽(SiC)型功率半導體解決方案的使用情形大幅成長，成為各界仰賴的革命性發(fā)展。推動此項市場發(fā)展的力量包括下列趨勢：節(jié)能、縮減體積、系統(tǒng)整合及提升可靠性。

　　IGBT搭配SiC二極體　寬帶隙技術(shù)改變局勢

　　SiC裝置定位能夠充分因應(yīng)上述市場挑戰(zhàn)。這項全新的寬帶隙技術(shù)，不僅是向前邁進的革命性發(fā)展(例如過去幾年來每一代新型的矽功率裝置)，也具有真正改變局勢的能力。碳化矽型系統(tǒng)的革命性能力在于大幅提升效能，對于關(guān)注創(chuàng)新及劃時代解決方案的設(shè)計人員而言，相當具有吸引力。IGBT或超接面MOSFET結(jié)合SiC二極體，已經(jīng)成為多種應(yīng)用的標準配備，例如太陽能、充電器或電源供應(yīng)。

　　這類組合是以快速的矽基開關(guān)搭配SiC二極體，通常稱為“混合式”解決方案。

　　近年來英飛凌已經(jīng)制造數(shù)百萬個混合式模組，安裝于各種不同的客戶產(chǎn)品。

　　全球第一個混合式模組是在十多年前開發(fā)，以英飛凌EconoPACK封裝平臺為基礎(chǔ)(圖1)。特定應(yīng)用部門是英飛凌任何新技術(shù)的初期采用者。視實際系統(tǒng)價值而定，如果新技術(shù)成本/效能的吸引力，足以改用更高技術(shù)的新型解決方案，其他應(yīng)用就會跟進。英飛凌將深獲肯定的SiC二極體設(shè)計，應(yīng)用于高階電源供應(yīng)器之后，發(fā)現(xiàn)太陽能變頻器及升壓電路是其中最可能受益于此項新技術(shù)的部分。

　　圖1　全球第一個混合式模組解決方案，自2006年起生產(chǎn)。

　　除此之外，不斷電系統(tǒng)(UPS)及充電器等領(lǐng)域也可能跟進。像是馬達驅(qū)動器、牽引設(shè)備，以及長期展望的汽車應(yīng)用等傳統(tǒng)部門，預計都將非常有興趣大規(guī)模改采新型半導體技術(shù)。

　　以往，能源效率是設(shè)計及行銷的關(guān)鍵，也使太陽能變頻器邁向成功。例如升壓電路使用的SiC二極體，是達到98%以上效率的最佳解決方案。

　　目前太陽能設(shè)計的主要趨勢，是基于減少切換損耗的方式來提升功率密度，實現(xiàn)體積更小的散熱器，此外也允許使用更高的作業(yè)頻率，藉以縮小磁鐵尺寸。 SiC二極體在現(xiàn)代太陽能變頻器及微變頻器應(yīng)用方面，正逐漸成為主要元件。最近英飛凌SiC二極體技術(shù)邁入第五代。SiC二極體則更進一步采用縮小晶粒的方式，達到更具吸引力的成本定位。

　　此外，新技術(shù)功能實作之后，將較前代技術(shù)提供更多的客戶利益，例如降低正向電壓降，使導通損耗減少，以及提升突波電流功能，并改善崩潰行為。混合式解決方案是現(xiàn)今全球太陽能變頻器的標準作法。英飛凌已經(jīng)提供此類技術(shù)15年以上，以深獲肯定的紀錄及可靠的大量生產(chǎn)，成為此項技術(shù)值得信賴的合作夥伴。

　　英飛凌采用整合式的制造概念，SiC晶片的生產(chǎn)線與大量的矽功率晶片相同，藉此保證達到與矽產(chǎn)品同等的可靠性及制程穩(wěn)定性。此外，這項整合式概念也在產(chǎn)能方面也有所彈性，這項關(guān)鍵因素有助于在快速變遷的市場上推動新興技術(shù)普及。

　　依據(jù)對系統(tǒng)的深入瞭解，并明確著重在提升成本效能，可在矽半導體及碳化矽半導體之間形成最佳組合，成功定義產(chǎn)品。

　　磁鐵元件尺寸大幅縮減　SiC成功在望

　　這項作法不再以純半導體技術(shù)推動產(chǎn)品定義，而是針對目標系統(tǒng)量身打造的解決方案，此一發(fā)展方向是SiC成功在望的關(guān)鍵要素。從二極體技術(shù)的經(jīng)驗看來，SiC電晶體未來幾年將以類似方式推出。這是重要的下一步，讓SiC更能與主流技術(shù)并駕齊驅(qū)。如上所述，關(guān)鍵要素為：

　　.深獲肯定的堅固程度

　　.具吸引力的成本/效能，實現(xiàn)可評測的系統(tǒng)優(yōu)點

　　.大量生產(chǎn)能力

　　.依據(jù)對系統(tǒng)的瞭解來推動產(chǎn)品定義

　　多年來進行豐富深入的研究，主要是為了瞭解SiC的系統(tǒng)利益。使用單極SiC電晶體的轉(zhuǎn)換器提升切換頻率，可大幅縮減磁鐵元件的體積和重量。依據(jù)英飛凌的分析，建構(gòu)于SiC裝置的轉(zhuǎn)換器相較于現(xiàn)有的矽基參考解決方案，尺寸僅為三分之一，重量則只有25%。由于體積及重量大幅縮減，系統(tǒng)成本也可降低20%以上。

　　未來幾年碳化矽解決方案將擴展進入其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)或牽引裝置。這是因為市場力量促使損耗降低，不僅為了提升效率，也是為了縮小封裝體積(由減少散熱器需求所促成)。如圖2所示，SiC已經(jīng)用于各種高階及利基解決方案?，F(xiàn)今的設(shè)計也發(fā)揮上述效益，在特定應(yīng)用領(lǐng)域降低系統(tǒng)成本。

　　圖2　SiC的優(yōu)點取決于使用場所及相關(guān)應(yīng)用

　　未來實作碳化矽解決方案后，會有更多應(yīng)用受益于整體的損耗降低。在此方面，下一項重要步驟就是采用SiC開關(guān)。

　　崩潰場強度超出10倍　碳化矽多項特性勝出

　　為了了解矽和碳化矽解決方案之間的差異，必須明確指出：碳化矽裝置屬于所謂的寬帶隙半導體。矽與SiC材料特性比較如圖3所示?？焖僖约皢螛O的肖特基二極體與場效式碳化矽開關(guān)(MOSFET、JFET)的電壓范圍，可延伸超過1000V，原因是SiC材料本身的特性：

　　圖3　矽與碳化矽的材料特性比較

　　.高電壓肖特基二極體達成低漏電流的原因，是金屬半導體阻障比矽肖特基二極體高兩倍。

　　.相較于矽，單極晶體顯得極有吸引力，其具有特定導通電阻，原因是崩潰場強度超出約10倍。

　　圖4顯示不同半導體的最低特定導通電阻，與所需阻斷電壓的比較(這里僅使用漂移區(qū)，基板對電阻的任何影響均忽略不計)。每條線的端點象征特定半導體在單極組態(tài)的可用電壓范圍，不含超接面MOSFET。

　　圖4　比較碳化矽與矽的導通電組及阻斷電壓

　　SiC電晶體將成為吸引人的替代方案，取代工業(yè)功率電子領(lǐng)域現(xiàn)有的IGBT技術(shù)。

　　SiC獨有的材料特性，可設(shè)計無少數(shù)載子的單極裝置，取代高阻斷電壓的電荷調(diào)變IGBT裝置。這項效能主要基于寬帶隙提供的高臨界場。

　　IGBT的損耗限制，由少數(shù)載子的動力所造成。而這類少數(shù)載子將在MOSFET之中遭到消除。例如SiC MOSFET已測得100kV/μs以上的超高dv/dt斜率。一開始時，相較于1,200V以上的IGBT，SiC晶體的出色動態(tài)效能是最重要的優(yōu)勢。不過，最近結(jié)果顯示IGBT技術(shù)具有龐大潛能，如英飛凌TRENCHSTOP 5技術(shù)所示。

　　若以長遠來看，IGBT和單極SiC開關(guān)之間的基礎(chǔ)差異，將日益受到矚目。其中主要的兩大差異為：一是線性無閾值的輸出特性I-V曲線，二是整合本體二極體與同步整流選項的能力。依據(jù)以上特性，裝置可在同步整流模式提供無閾值的導通行為。此外，必要元件的數(shù)量可減少一半。這樣可以大幅縮減所需的功率模組體積。

　　就系統(tǒng)層級而言，無閾值導通行為特性可望大幅降低損耗。許多系統(tǒng)在大半壽命期間皆于部分負載的狀況下運作，導通損耗遠低于競爭的標準IGBT技術(shù)。即使是在5kHz以下的極低頻率及未變更dv/dt斜率的情況下，仍然可以發(fā)現(xiàn)無閾值開關(guān)搭配整合式本體二極體(同步整流模式)，相較于目前市面上的商用IGBT解決方案，共有可能降低50%的損耗。損耗比較請參閱圖5。

　　圖5　即使在類似IGBT的dv/dt，并于5kHz的運作情況下，仍可減少50%的損耗。

　　顯然在沒有dv/dt限制以及更高切換頻率的應(yīng)用中，可以減少更多損耗。這常見于DC-DC升壓或升/降壓拓撲，可提供更小、更輕及更低成本的磁鐵元件。各種研究已經(jīng)證實，雖然使用更昂貴的功率開關(guān)，仍可在廣泛的應(yīng)用之中減少物料清單。就中期而言，由于預期SiC元件成本將隨時間下降，應(yīng)用數(shù)量將會增加。

　　達成最低導通電組目標　溝槽型結(jié)構(gòu)成一大助力

　　SiC晶體設(shè)計的目標，是讓大部分零件達成最低的區(qū)域特定導通電阻。這是相當合理的想法，因為此項參數(shù)界定成本，同時也間接影響晶片電容值造成的剩余動態(tài)損耗。在特定電阻情況下，晶粒體積越小，電容值就越低。高瑕疵密度反應(yīng)在SiC MOS裝置的各種風格或特性之中。其中一個例子，就是跨導能力不如矽功率MOSFET，閾值電壓也低。

　　另一項效應(yīng)則是導通電阻的非物理溫度行為。物理學證實Ron一般會在更高溫度時增加。目前市面上的元件有時會顯示零或甚至負值的溫度相依性。這是因為 瑕疵相關(guān)電阻具有負的溫度系數(shù)，所以會出現(xiàn)不同的溫度行為。Ron隨溫度增加的程度越少，通道瑕疵對裝置效能的影響就越高。只有增加在導通氧化層應(yīng)用的場值，使其超越矽MOS功率裝置經(jīng)常使用的數(shù)值，才能有效降低瑕疵相關(guān)電阻。由于導通氧化層的高場值，可能會加速損耗阻斷能力，長此以往，可靠性恐將隨之降低。

　　整體目標是結(jié)合SiC的低Ron潛能，以及提供運作模式，讓零件維持在經(jīng)過充分研究且安全的場氧化層條件下。若要在導通情況下達成此目標，可采取離開高瑕疵密度平面表面的作法，朝向其他更有利的表面方向發(fā)展。在所謂SiC表面的MOS通道，可提供至少低上10倍的瑕疵密度系數(shù)。因此其中一種可能方法，就是使用溝槽(TRENCH)型結(jié)構(gòu)，類似于許多現(xiàn)代的矽功率裝置。

　　除了低通道電阻以外，該結(jié)構(gòu)的電池密度一般高于平面結(jié)構(gòu)，能夠更有效地利用材料。此外，這種作法也可以降低區(qū)域特定導通電組。不過在溝槽型元件中，溝槽角落氧化層的電場應(yīng)力是關(guān)鍵問題，特別是在SiC領(lǐng)域，可能成為阻礙發(fā)展的爭議。此半導體晶片預定使用的電場，是矽解決方案的10倍。目前有多種可能作法，可以有效屏蔽臨界區(qū)域，例如深pn元件。相對于DMOS在導通方面的兩難困境，斷態(tài)方面的挑戰(zhàn)可藉由精巧設(shè)計加以解決。

　　強大的SiC開關(guān)，可提供深獲肯定的堅固程度(類似于矽元件)，即使新技術(shù)往往伴隨著新挑戰(zhàn)，在功率電子應(yīng)用的前景仍然一片光明，一開始必須付出更多努力，以最理想及最有效的方式善用技術(shù)。相關(guān)挑戰(zhàn)包括加速切換產(chǎn)生的EMI問題，或是大幅提升功率密度的冷卻問題。其中后者尤其難以避免，再加上晶片縮小，無法由預期的降低損耗加以抵消。

　　為了更快速深入掌握SiC晶體技術(shù)，化解上述的合理疑慮，才是有利作法。因此必須與客戶合作，盡量簡化新技術(shù)必要的任何設(shè)計及實作程序。

　　取代矽元件還早　寬帶隙與矽方案共存之道

　　新半導體技術(shù)在原則上將成為滿足需求益增的關(guān)鍵要素;以功率半導體為基礎(chǔ)的應(yīng)用，也將因此提升功率密度及效率。不過，未來幾年的重點并不是取代矽元件。寬帶隙技術(shù)與矽解決方案可相互搭配，特別是在可以開創(chuàng)新應(yīng)用利基，且無法由現(xiàn)有技術(shù)解決的情況下。SiC在此成為工業(yè)功率應(yīng)用的主要創(chuàng)新成果，目標為阻斷電壓100 V以上，且功率額定值達到數(shù)百千瓦的元件，如圖6所示。在市場成功導入SiC二極體技術(shù)后，SiC晶體將成為下一個重大步驟。目前寬帶隙材料預期可大幅提升效能。為了讓市場快速接受，堅固程度及系統(tǒng)導向產(chǎn)品功能將是關(guān)鍵要素。

　　圖6　SiC開關(guān)市場1kW-500kW于10kHz-MHz頻段